Lepsze akumulatory wielokrotnego ładowania dzięki jonom sodowym

Urządzenia cyfrowe, technologie związane z energią odnawialną i pojazdy elektryczne zwiększają zapotrzebowanie na akumulatory litowo-jonowe. Te wysoko wydajne akumulatory wielokrotnego ładowania mają jednak pewne wady: zawierają możliwie toksyczne surowce, w momencie przegrzania lub przeładowania mogą eksplodować i są droższe od innych akumulatorów ponownego ładowania. Atrakcyjną potencjalną alternatywą są akumulatory sodowo-jonowe, do których zalet należy większe bezpieczeństwo, niższe koszty i mniejszy wpływ na środowisko.

W związku z tym badacze wspierani przez finansowany przez UE projekt SEED badali nowe połączenia rozwiązań elektrolitowych i materiałów elektrod, skupiając się na akumulatorach sodowo-jonowych. Ich ustalenia zostały opublikowane na łamach czasopisma „Advanced Energy Materials”.„W przeciwieństwie do akumulatorów litowo-jonowych, które opierają się na magazynowaniu jonów litu w dodatniej i ujemnej elektrodzie akumulatora, my wykorzystujemy jony sodu, ponieważ znajdują się one również w taniej soli kuchennej. Z drugiej strony przechowujemy jony sodu wraz z ich otoczką solwatacyjną, czyli cząsteczkami rozpuszczalnika z roztworu elektrolitu, które oddzielają obie elektrody. Pozwala to na przeprowadzenie zupełnie nowych reakcji magazynujących”, mówi starszy autor badania prof. Philipp Adelhelm z Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin), uczelni koordynującej projekt SEED, cytowany w komunikacie prasowym opublikowanym na stronie Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB).

Interkalacja to proces polegający na umieszczeniu jonu na sieci gospodarza. Gdy jony są przechowywane razem ze swoją otoczką solwatacyjną w sieci krystalicznej, nazywamy to ko-interkalacją. Chociaż koncepcja ta dotychczas ograniczała się do elektrody ujemnej akumulatora sodowo-jonowego, zespołowi badawczemu udało się rozszerzyć go o elektrodę dodatnią. Główny autor badania dr Guillermo Alvarez Ferrero, także związany z HU Berlin, wyjaśnia: „Dzięki dwusiarczkowi tytanu i grafitowi po raz pierwszy połączyliśmy dwa materiały, które absorbują i uwalniają ten sam rozpuszczalnik podczas ładowania i rozładowywania akumulatora".

Jak podano w komunikacie prasowym, wspomagając się pomiarami operando wykonanymi na dyfraktometrze dyspersji energii LIMAX-160 w HZB X-Ray CoreLab, zespół zidentyfikował zmiany zachodzące w materiale podczas ładowania i rozładowywania, co pozwoliło mu na wyznaczenie mechanizmu ko-interkalacji wewnątrz akumulatora. Korzystając z tej nowej wiedzy, naukowcy opracowali pierwszą koncepcję akumulatora ko-interkalacyjnego opartego na rozpuszczalniku, który składa się z dwóch elektrod bazujących na odwracalnej ko-interkalacji cząsteczek rozpuszczalnika.

„Dopiero zaczynamy poznawać znaczenie akumulatorów ko-interkalacyjnych, ale już dostrzegamy ich pewne zalety”, zauważa współautorka badania, dr Katherine Mazzio z HZB. „Proces ko-interkalacji może zwiększyć wydajność poprzez poprawę działania w niskich temperaturach. Można by go również wykorzystać do ulepszenia koncepcji alternatywnych ogniw, takich jak wykorzystanie jonów wielowartościowych zamiast magazynowania Li+ lub Na+, które są szczególnie wrażliwe na otoczkę solwatacyjną”.

Realizacja pięcioletniego projektu SEED (Solvated Ions in Solid Electrodes: Alternative routes toward rechargeable batteries based on abundant elements) zakończy się w maju 2025 roku.

Więcej informacji:

projekt SEED